六、探頭對測量的影響

1．探頭前端對測量的影響

很多人使用探頭測試時以為只要探頭的帶寬足夠，測量的結果就是正確的，其實并不是這樣的。具體使用環境下的很多因素都會影響到測量的結果，其中最常見的就是探頭和被測件之間的連接方式。通常的探頭為了使用的方便都會提供很多種可選的連接方式（例如前面介紹過的無源探頭的各種附件），每種連接方式適用于不同的測試場合，但是不同的連接方式提供的系統帶寬可能會不一樣。更極端地，有些用戶為了連接的方便，可能還會額外引入一些引線，這有可能會大大減小系統的帶寬或者引入信號的失真。

圖6.1是典型的有源探頭的前端部分的等效電路圖。放大器前面的連接部分是一段阻抗不受控的連接線，有很多的等效電容和等效電感，這部分對系統帶寬、高頻下的輸入阻抗、頻響特性影響很大；放大器后面通常都是50Ω的傳輸線，這部分是阻抗受控的，對于系統帶寬的影響較小。

減小引線對系統帶寬影響的最簡單方法是縮短探頭和被測件的連接線的長度。圖6.2是一個例子，測試中使用2GHz單端有源探頭，在使用不同的連接附件時，系統的帶寬是不一樣的，使用的前端附件越短，系統的帶寬越高。

圖6.3是使用這幾種不同的連接方式對同一個1ns的上升時間信號的測量結果，可以看到，用的連接方式越短，系統的帶寬越高，測得的上升沿越陡。

但是在有些場合下，為了使用的方便，探頭的放大器距離測試點必須有一定的距離，這一段連接線通常表現為感性，如果不對這段引線引起的電感效應進行補償，這段長的連接線很容易引起信號的振蕩。圖6.4中兩張圖是用4GHz的單端有源探頭經過2in長的引線對同一個500MHz、上升時間為100ps的時鐘信號測量的結果。左邊的圖中2in長的引線沒有經過任何匹配，測量到的時鐘信號振蕩和變形非常嚴重；右邊的圖中在2in長引線的源端通過一個合適的電阻進行了匹配，信號的振蕩和變形明顯減弱。

因此，當探頭和被測件的引線長度已經不能再縮短時，采用合適的電阻在靠近測試點的一端對信號進行匹配可以改善引線電感造成的影響，具體使用的匹配電阻的大小應該根據引線的長度等特性進行仿真和計算。圖6.5是兩種差分探頭使用的差分焊接和點測探頭，可以看到，在高頻的情況下，為了提高信號測量的保真度，即使對很短的引線也需要進行合適的匹配。關于電阻匹配需要注意的是，這個匹配電阻只是減小了長線引起的信號的振蕩，對于帶寬的提升有限，如果前端引線長度太長，系統的帶寬還是會下降的。

如前所述，要提高有源探頭的帶寬，除了需要使用高帶寬的放大器以外，還需要盡可能減小測試點到探頭放大器這段阻抗不受控的傳輸線的長度以及在連接線的前端進行電阻匹配。但是通常高帶寬的放大器需要進行復雜的屏蔽、匹配和供電，體積不會特別小，如果這個放大器設計得距離測試點太近，會造成使用很不方便。為了同時保證使用的方便以及很高的測量帶寬，現在市面上很多高帶寬的探頭都采用了分體式結構。

分體式探頭由探頭放大器和探頭前端兩部分組成（見圖6.6），中間通過50Ω的同軸連接器連接。通常的探頭放大器前面部分的阻抗是不受控的，所以這部分長度對信號影響很大，而分體式探頭的前端中只有前面很短的一段（約5mm）是阻抗不受控的，這部分引線很短從而可以保證高的測量帶寬；而探頭前端后面的部分（約10cm）都是50Ω的同軸傳輸線，這部分的長度對于系統帶寬影響不大。因此采用了這種結構以后，一方面探頭帶寬可以做的比較寬，另一方面探頭放大器又可以距離測試點比較遠一些，使得探頭前端的尺寸較小從而方便使用。同時這樣分體式的結構方便了用戶可以根據不同的測試需要更換不同的測試前端，例如點測的、焊接的、插孔的等。